發(fā)酵罐的公用工程工藝計算探討

李 兵 寇小文 盛 凱

（中國醫(yī)藥集團聯(lián)合工程有限公司，湖北武漢430077）

0 引言

發(fā)酵罐是發(fā)酵工廠中最基本、最主要的設(shè)備，發(fā)酵罐是一種生化反應(yīng)設(shè)備，為菌種提供適宜的溫度、適當(dāng)?shù)耐鈹嚢钘l件，使菌種在液體培養(yǎng)基中大量繁殖及分泌所需產(chǎn)品[1]。由于發(fā)酵產(chǎn)品不同、菌種不同，發(fā)酵的工藝要求也不盡相同。因此，發(fā)酵罐的工藝設(shè)計條件根據(jù)發(fā)酵過程的特點和要求而有所不同，但發(fā)酵罐的工藝設(shè)計基本方法是一樣的。在發(fā)酵類工程項目的設(shè)計過程中，發(fā)酵罐的公用工程工藝計算關(guān)系到整個發(fā)酵生產(chǎn)車間的設(shè)計。由于發(fā)酵罐較多，每個發(fā)酵罐所需耗用的公用工程量也較大，如果在設(shè)計前沒有進行較為準(zhǔn)確的計算，將會導(dǎo)致車間的公用工程系統(tǒng)設(shè)計與實際相差較大，造成設(shè)計失誤，影響項目最終質(zhì)量。因此，發(fā)酵過程中各發(fā)酵罐的公用工程工藝計算就顯得尤為重要。

1 計算條件

本文以某發(fā)酵工廠的150 m3發(fā)酵罐為例，介紹發(fā)酵罐的公用工程工藝計算過程。

發(fā)酵罐體積為150 m3，內(nèi)裝發(fā)酵液120 m3，發(fā)酵溫度26℃，采用冷凍水（15～20℃）進行冷卻；通氣比為1∶1，壓縮空氣進罐壓力為0.20 MPa（表壓），空氣進口溫度40℃；采用0.3 MPa蒸汽進行實罐滅菌，發(fā)酵罐采用內(nèi)盤管進行傳熱；培養(yǎng)基采用實消的方式滅菌，并用循環(huán)水（32～42℃）對實消后的培養(yǎng)基進行降溫處理。

發(fā)酵產(chǎn)生的物質(zhì)為抗生素，已知相關(guān)數(shù)據(jù)[2]：發(fā)酵熱量為20 MJ/（m3·h），內(nèi)盤管的傳熱系數(shù)K=450 J/（m2·s·℃）。現(xiàn)分別計算該發(fā)酵罐的傳熱面積，冷凍水、循環(huán)水、蒸汽、壓縮空氣流量及管徑等。

2 公用工程工藝計算

2.1 傳熱面積

整個發(fā)酵過程傳遞的熱量：Q=20×106×120=2.4×109J/h。

發(fā)酵溫度26℃，通入冷凍水后，發(fā)酵罐盤管兩端溫差為：Δt1=26-15=11℃，Δt2=26-20=6℃。

采用15～20℃冷凍水系統(tǒng)將發(fā)酵熱量帶走進行降溫處理，則平均溫差Δt：

1.2的系數(shù)，取該發(fā)酵罐的傳熱面積約為220 m2。

2.2 冷凍水流量及管徑

發(fā)酵過程產(chǎn)生的熱量：Q=20×106×120=2.4×106kJ/h，該熱量通過冷凍水（15～20℃）系統(tǒng)將其冷卻下來，則冷凍水流量W：

式中W——冷凍水流量，m3/h；

Q——發(fā)酵產(chǎn)生的熱量，kJ/h；

Cp——水比熱容，kJ/（kg·℃），取4.2；

Δtm——冷凍水進出口溫差，℃。

現(xiàn)冷凍水流量W取120m3/h，冷凍水流速u=2m/s，則冷凍水管徑，冷凍水主管管徑取DN150。

在計算冷凍水流量時，需要特別說明的是，此處冷凍水溫差為±5℃，有些情況下可能會利用±10℃的溫差進行冷卻，此時的流量就需要進行相應(yīng)的調(diào)整。因此，在計算前，需要跟業(yè)主進行充分的溝通，熟悉廠區(qū)提供的各外部條件。

2.3 循環(huán)水流量及管徑

發(fā)酵過程中實消后的培養(yǎng)基用循環(huán)水進行冷卻降溫，循環(huán)水溫度為32～42℃，培養(yǎng)基體積為110 m3，培養(yǎng)基實消后在發(fā)酵罐內(nèi)的溫度從120℃降到40℃，通入循環(huán)水后發(fā)酵罐盤管兩端溫差Δt1=120-42=78℃，Δt2=40-32=8℃，則：

式中τ——冷卻時間，h；

G——培養(yǎng)基質(zhì)量，kg；

C——培養(yǎng)基比熱容，J/（kg·℃），取4.2×103；

A——發(fā)酵罐盤管傳熱面積，m2；

K——平均傳熱系數(shù)，J/（m2·s·℃）。

培養(yǎng)基溫度從120℃降到40℃，該熱量通過循環(huán)水降下來，培養(yǎng)基放出的熱量Q1=C1m1（120-40），循環(huán)水吸收的熱量Q2=C2m2（42-32），Q1=Q2，其中培養(yǎng)基與循環(huán)水比熱容近似相等，發(fā)酵罐盛裝培養(yǎng)基的質(zhì)量m1=110 m3，由C1m1（120-40）=C2m2（42-32），得到循環(huán)水在這段時間內(nèi)的質(zhì)量m2=110×80/10=880 m3，冷卻時間取3 h，則循環(huán)水流量為880/3≈293 m3/h，現(xiàn)循環(huán)水流速u取2 m/s，根據(jù)公式，則循環(huán)水主管管徑取DN200。

與計算冷凍水流量相似，需要注意循環(huán)水的溫差，溫差不同得到的結(jié)果大相徑庭，循環(huán)水降溫的熱量與培養(yǎng)基降溫前后的溫度有關(guān)。

2.4 蒸汽流量及管徑

采用實消的方式對培養(yǎng)基進行滅菌。培養(yǎng)基總量為110 m3，先在盤管內(nèi)通蒸汽將培養(yǎng)基由25℃預(yù)熱到70℃，然后直通蒸汽將110 m3培養(yǎng)基由70℃加熱到121 ℃，盤管傳熱系數(shù)K=450 J/（m2·s·℃）。

蒸汽溫度t1=143℃，蒸汽壓力0.3 MPa，汽化熱量514 K/kg，開始加熱（預(yù)熱階段）時培養(yǎng)基溫度t2s=25℃，結(jié)束加熱（預(yù)熱階段）時培養(yǎng)基溫度t2f=70℃。

預(yù)熱階段Δt1=t1-t2s=143-25=118℃，Δt2=t1-t2f=143-70=73℃，則：

式中τ——預(yù)熱時間，h；

G——培養(yǎng)基質(zhì)量，kg；

C——培養(yǎng)基比熱容，J/（kg·℃），取4.2×103；

A——發(fā)酵罐盤管傳熱面積，m2；

K——平均傳熱系數(shù)，J/（m2·s·℃）。

蒸汽耗量可用以下辦法估算（不考慮散發(fā)熱量），蒸汽耗量=培養(yǎng)基質(zhì)量×培養(yǎng)基溫差/汽化熱量=110×103×（70-25）/514=9 630 kg。在實際操作過程中，加熱時間比理論計算時間要長，取2 h，則得到蒸汽流量為9 630/2=4 815 kg/h。加長預(yù)熱時間可以使蒸汽用量控制在一定范圍內(nèi)，減少瞬間用汽量。現(xiàn)蒸汽流速取25 m/s，查閱化工工藝設(shè)計手冊[2]得到蒸汽進入盤管的主管管徑取DN200。

直通蒸汽階段的蒸汽耗量一般為預(yù)熱階段的30%～50%[3]，按照50%進行估算，則蒸汽流量為2 400 kg/h，蒸汽流速取25 m/s，同樣查閱化工工藝設(shè)計手冊[2]可得到直通蒸汽管管徑取DN150。整個滅菌階段的耗汽量為7.2 t/h。

2.5 壓縮空氣流量及管徑

150 m3發(fā)酵罐的通氣比1∶1，標(biāo)準(zhǔn)情況下發(fā)酵罐的通氣量為150 m3/min，即2.5 m3/s，壓縮空氣進罐溫度40℃，壓力0.20 MPa（表壓）。

2.6 排氣管管徑

發(fā)酵尾氣經(jīng)旋風(fēng)分離器后，液體被排走，氣體排放至室外屋面（在某些情況下尾氣還需要經(jīng)尾氣吸收塔吸收后排放）。發(fā)酵過程中的排氣管管徑取值比進氣管管徑大一個型號，則排氣管管徑取DN300。

2.7 出料管管徑

發(fā)酵罐放罐體積為120 m3，假設(shè)2 h內(nèi)放完，發(fā)酵液流速取1.5 m/s，則發(fā)酵液輸送泵流量為60 m3/h，出料管徑則出料管管徑取DN125。一批發(fā)酵液多長時間放完，跟具體情況有關(guān)，但計算方式是相同的思路。

3 結(jié)語

根據(jù)以上計算過程，單個150 m3發(fā)酵罐的各公用工程介質(zhì)主管管徑就可以明確了。該150 m3發(fā)酵罐換熱面積為220 m2；冷凍水主管管徑為DN150；循環(huán)水主管管徑為DN200；進盤管的蒸汽主管管徑為DN200；蒸汽直通發(fā)酵罐內(nèi)的主管管徑為DN150；壓縮空氣進罐管徑為DN250；排氣管管徑為DN300；發(fā)酵液出料管管徑為DN125。

需要說明的是，一個發(fā)酵車間往往包含多個發(fā)酵罐，計算出了一個發(fā)酵罐的各公用介質(zhì)耗量并不能解決實際問題，整個發(fā)酵車間的公用工程量并不是所有單個發(fā)酵罐耗量的簡單累加。需要與業(yè)主討論，根據(jù)具體的工藝排班來確定發(fā)酵罐同時生產(chǎn)的計算系數(shù)，由此來確定各公用工程介質(zhì)的峰值耗量，進一步確定該車間各介質(zhì)主管管徑以及公用設(shè)備的選型等。